平行四边形机构在井径仪器中的应用

·仪器设备与应用·

平行四边形机构在井径仪器中的应用

郭振华1陈中权2

(1.中国电子科技集团公司第二十二研究所河南新乡453003；

2.长城钻探工程技术有限公司测井公司辽宁盘锦124011)

摘要：为了更好地满足新的石油测井工艺对井径仪器的要求，提高仪器的性能，文章中创新性地将平行四边形机构应用在井径仪器中，将其作为井径臂与传感器之间的关联机构，使仪器同时具备可双向测量、无动力低能耗、线性精度高、仪器长度短等优良特性。通过理论分析和实际应用，该机构的应用有效地提高了井径仪器的性能，有较好的应用前景。

关键词：平行四边形机构；双向测井；线性；低能耗

作者简介：第一郭振华，男，1982年生，工程师，2008年毕业于中国矿业大学，现在中国电子科技集团公司第二十二研究所工作，主要从事石油仪器研发工作。E-mail：zhenhuag@126.com

文章编号：中图法分类号：P631.8+1

收稿日期：(2014-11-27编辑：韩德林)

Application of Parallelogram Mechanism in the CaliperGUO Zhenhua1CHEN Zhongquan2

(1.ChinaElectronicsTechnologyGroupCorporationNO.22ResearchInstitute,Xinxiang,Henan453003,China;

2.GWDCWirelineLonggingCompang,Panjin,Liaoning124011,China)

Abstract：In order to meet the new requirements of caliper logging technology, improve tool performance, an innovative application of parallelogram mechanism is applied in caliper, which is used as the association between the caliper arm and sensor body. The new caliper tool has excellent features such as bi-directional measuring, low power consumption, high linear precision and short length. Theoretical analysis and practical application show that the application of this mechanism effectively improves the performance of caliper, and has a good application prospect.

Key word： parallelogram mechanism, bidirectional logging, linear, low energy consumption

0引言

随着石油勘探技术的进步，钻具输送、存储式等测井工艺对井径测量提出了更高的要求。传统井径多是下放后在井下由电机或液压驱动井径臂张开，在上提过程中测量。这已经不能满足特殊工艺下低能耗、高效率的测井要求，而传统的不需推收可双向测量的井径往往存在井径值与测量参数理论上非线性的问题，测量精度较差[1]。一种可以双向滑动，通过改良后的平行四边形的转换机构与传感器关联的新型井径仪器可以满足双向测井、适应性强、测量精度高的要求。

1仪器概述

由于仪器在上提与下放过程中井径臂的受力状态不同，若井径臂只有一个自由度，即在不同的受力状态下井径臂的运动方式相同，难免出现运动不灵活、易卡死甚至仪器损坏的问题。所以应设计井径臂具有两个自由度，例如同样是井眼缩径的情况下，下放时井径臂向仪器上端滑动并收拢，上提时井径臂向仪器下端滑动并收拢，这样从理论上井径臂不会被卡死。

由于井径臂上下滑动的行程相对较大，因此井径臂与传感器之间的关联方式是这类井径仪器必须解决的问题。井径的大小与井径臂滑动的位置没有直接关联，而与井径臂的角度相关，利用四连杆机构中平行四边形对边保持平行运动的特性可以巧妙的“过滤”掉井径臂沿仪器的轴向位移，而将角度变化传递到传感器[2]。

2动作原理

图1所示为一组井径臂的原理图，为方便表述，下文所提的方向都为图示方向。图中虚线内部分为平行四边形机构，仪器主体作为平行四边形的一条边，则测量板在运动过程中始终与仪器轴线平行。本设计就是利用这一特性将井径臂径向的变化传递到传感器，而将井径臂轴向的位移作为测量无效位移“过滤”掉。

动力臂和测量臂铰接为“人”字形组成井径臂的主要部分，当仪器向右运动(下放测井)、且井眼变小时，测量点受向左下方的力，左侧井径臂下端向左滑动、井径臂收拢。右侧井径臂收拢的同时，靠近下端的圆弧面将测量板向下压，测量板保持与仪器轴线平行的姿态向下移动。转换片作为平行四边形机构的一部分逆时针转动，转换片的另一端与传感器联动，使传感器产生轴向向右的位移。

当仪器向左运动(上提测井)、且井眼变小时，右侧井径臂下端向右滑动、井径臂收拢，井径臂下端圆弧向测量板右方滑动，且向下压测量板，转换片逆时针转动，传感器同样产生轴向向右的位移。

当井眼变大时，井径臂在弹簧的作用下张开，井径臂的两个滑动端向距离变小的方向滑动。测量板在井径臂变化的过程中始终与测量臂下端圆弧面贴合，平行的向上移动，转换片顺时针转动并使传感器产生轴向向左的位移。

由于井径臂下端的滑动轨迹同样与仪器轴线平行，所以测量板的径向位移只与右侧井径臂的角度有关，而与其轴向滑动距离无关。井径臂的长度固定，通过井径臂的角度就能够计算出井径值。因此通过平行四边形机构传递，井径值可以表示为传感器位移的函数。井径臂外端与仪器轴线的最大距离决定了可测量井眼的最大范围。

3线性关系

井径仪器测井前需要通过固定尺寸的圆环对仪器进行刻度，得出井径与传感器输出值之间的函数关系后方能进行测井。现场一般是通过两点刻度，按照线性函数拟合出测量曲线，如果仪器的井径值与传感器变化的函数关系是非线性的就会从原理上产生误差，因此线性度是关系到仪器测量精度的重要指标[3]。借助图2可以证明应用了平行四边形机构的井径仪器井径值与传感器变化值为线性关系。

图2　线性关系原理图

如图2所示，ΔY为井径变化量，井径臂下端圆弧的圆心在井径臂两个铰链的连线上，因此有：

(1)

由于井径臂与测量板的接触面为圆弧，因此测量板的竖直位移就是圆弧圆心向下的位移，即：

ΔY′=ΔH

(2)

如图示转换片d1与d2所示两段夹角为90°，可将d1段竖直方向的位移等比例转换为d2段水平方向的位移，即：

(3)

由(1)、(2)、(3)三式联立得：

(4)

可见传感器位移与井径变化是线性关系[4]。

4优越性

将该机构应用到井径仪器，可使仪器同时具备以下优越性：

1)仪器可以在上提、下放过程中测井，不需要另外测量重复段，提高测井效率；

2)无动力驱动，简化测井操作过程，满足低能耗测井要求，特别是存储式测井要求；

3)线性度好，测量精度高[5]；

4)井径臂受力状态良好，可降低故障率；

5)省去动力机构可以减小仪器长度，同时得益于井径臂良好的受力状态，可以适当减小井径臂长度而增大其张开角度，从而进一步减小仪器长度。

5结论

通过大量试验和现场应用经验可以验证平行四边形机构的应用，能够从多方面提高井径仪器的功能和性能。双向测井、良好的受力状态、线性关系、低能耗等优良性能能够更好的适应钻具输送、存储式等新型测井工艺的要求，有较好地应用前景。

参 考 文 献

[1] 鲍忠利，于会媛，侯洪为.常见测井仪器推靠机构综述[J].石油矿场机械，2010，39(5)：84-88.

[2] 徐灏.机械设计手册第2卷[M].北京：机械工业出版社，1992：8-150.

[3] 刘吉成，刘锐，唐友福，等.水平裸眼井径仪测量臂线性化及井径数据同步[J].机械制造，2012，50(1)：15-18.

[4] 郭仁生.机械设计基础[M].北京：年清华大学出版社，2005：62-81.

[5] 龚子华，周志毅，谭军.井径测量精度影响因子分析[J].石油仪器，2005，19(5)：39-41.

·专利技术·专利名称：一种电缆式地层测试仪

专利申请号：CN201310311701.2 公开号：CN103334744A

申请日：2013.07.23 公开日：2013.10.02

申请人：北京环鼎科技有限责任公司;中国石油集团渤海钻探工程有限公司

本发明提供一种电缆式地层测试仪，包括控制模块、机械模块、井下电源模块、石英晶体模块、流体识别模块、泵抽排模块和取样模块，其中井下电源模块为其他各模块输送电源。本发明的有益效果是一次下井能进行多次的地层压力测量，通过流体识别能取到地层的原状流体。对地层的压力、有效渗透率、生产率、连通情况、衰竭情况等进行评价，为建立最佳的完井和开发方案提供依据。

(王元荪提供)